Im engeren Sinn werden die Metalle als „Industriemetalle“ bezeichnet, die aufgrund ihrer wirtschaftlichen Bedeutung jeweils einen eigenen Industriezweig begründet haben. In erster Linie handelt es sich dabei also um Aluminium, Blei, Kupfer, Nickel, Zink und Zinn. Zuweilen wird auch Eisen dieser Gruppe zugeordnet. Da die Gattungsbezeichnung historisch geprägt ist, weisen diese Metalle zum Teil vollkommen unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften auf. Diese Metalle finden Anwendung in zahlreichen Industriezweigen - beispielsweise im Maschinenbau, in der Autoindustrie, Bauindustrie, Elektroindustrie, Stahlindustrie und in fast allen Bereichen des metallverarbeitenden Gewerbes. Die Nachfrage ist stark abhängig von der Entwicklung der Weltwirtschaft. Gerade in den Schwellenländern mit ihren aufstrebenden Industrien und einer zum Teil enormen Bautätigkeit ist der Bedarf an diesen Metallen sehr groß.
Im weiteren Sinn subsummiert man unter dem Begriff „Industriemetalle“ oft aber auch all jene Metalle, die für bestimmte Industriezweige – vor allem für die Zukunftstechnologien – von ganz entscheidender Bedeutung sind. Dazu zählen in erster Linie die „Strategischen Metalle“, denn ohne sie ist unser modernes Leben und die Kommunikationstechnik nicht mehr vorstellbar.
Erst seit der Mitte des 19. Jahrhunderts wird Aluminium in seiner heutigen Form verarbeitet. Es ist der bedeutendste nichtferrometallische Werkstoff. Aluminium hat ein geringes Gewicht und eine sehr gute Leitfähigkeit; es rostet nicht und ist leicht verformbar.
Aluminium ist heutzutage in vielen Industriezweigen ohne Alternative - zum Beispiel in der Autoindustrie, im Flugzeugbau, im Baugewerbe und in vielen weiteren technischen Bereichen. Auch im täglichen Leben ist Aluminium allgegenwärtig - als Beispiel: Getränkedosen oder Verpackungsmaterial.
Die Produktion von Aluminium ist extrem energieintensiv. Über 40 % der Produktionskosten sind Energiekosten; zumeist wird elektrische Energie genutzt.
Die größten Aluminiumproduzenten
Im Jahre 2009 war das bedeutendste Herstellerland von Aluminium mit einigem Abstand die Volksrepublik China (13,0 Millionen Tonnen), gefolgt von Russland (3,3 Millionen Tonnen) und Kanada (3,0 Millionen Tonnen), die zusammen einen Anteil von 52,3 Prozent an den weltweit produzierten 36,9 Millionen Tonnen besaßen. In Europa waren Norwegen, Island und Deutschland die wichtigsten Produzenten.
(Quelle: Wikipedia)
Weltproduktion von Aluminium
(Quelle: Wikipedia / Dirksn)
Blei ist ein weiches, blaugraues Schwermetall. Es kommt in der Natur meist in Erzen zusammen mit Kupfer, Zink und Silber vor. Mehr als die Hälfte des zurzeit im Umlauf befindlichen Bleis kommt aus dem Recycling-Kreislauf.
Die größten Bleiverbraucher sind die USA, Japan, Deutschland und die Volksrepublik China. Der Verbrauch ist stark von der Konjunktur in der Autoindustrie abhängig Heute werden etwa 60 % des Weltbedarfs in Autoakkumulatoren verwendet. Rund 20 % werden in der chemischen Industrie verarbeitet.
Wegen seiner hohen Atommasse eignet sich Blei in ausreichend dicken Schichten zur Abschirmung von Gamma- und Röntgenstrahlung. Einer der wichtigsten Einsatzbereiche für Blei ist die Herstellung von Schutzvorrichtungen gegen radioaktive Strahlung. Dieses Einsatzgebiet reicht von Bleischürzen in der Medizin bis zu Containern für CASTOR-Transporte.
Blei wird vorwiegend als Metall oder Legierung verwendet. Früher war Blei eines der wichtigsten und meistverwendeten Metalle – in der Militärtechnik, im Bauwesen oder z.B. in der frühen Druckindustrie. Heute versucht man Blei durch andere, ungiftige Elemente oder Legierungen zu ersetzen. Vor allem wegen seiner Korrosionsbeständigkeit, seiner hohen Dichte sowie seiner einfachen Herstellung und Verarbeitung hat Blei aber immer noch eine große industrielle Bedeutung.
2013 wurden weltweit 11,2 Millionen Tonnen Blei produziert. Die größten Bleischmelzer sind die USA mit einem Marktanteil von 21,6%, China mit 20%, Deutschland mit 6,1% und Großbritannien mit 5,8%.
Bedeutsame Bleivorkommen wurden in den letzten Jahren in Alaska, Australien, Kanada, China, Irland, Mexiko, Peru und Portugal entdeckt. Die bisher erkundeten Ressourcen liegen bei rund 1,5 Milliarden Tonnen.
Kupfer ist als relativ weiches Metall gut formbar und zäh. Als hervorragender Wärme- und Stromleiter findet es vielseitige Verwendung. Darüber hinaus zählt Kupfer auch zu den Münzmetallen.
Da Kupfer leicht zu verarbeiten ist, wurde es bereits vor über 10.000 Jahren von den ältesten bekannten Kulturen verwendet. Zum Beispiel entdeckten Archäologen in der Cheops-Pyramide Rückstände eines Abwassersystems aus Kupfer.
Kupfer ist eines der am häufigsten verarbeiteten Industriemetalle. Das Metall besitzt eine hervorragende Leitfähigkeit für elektrischen Strom, ist sehr korrosionsresistent und leicht verformbar. Kupfer wird auch zur Herstellung von Messing (Kupfer-Zink-Legierung) und Bronze (Kupfer-Zinn-Legierung) verwendet. Sie verfügen über eine höhere Härte als das Basismetall selbst. Kupfer kann ohne Qualitätsverlust durch Recycling wiedergewonnen und weiterverarbeitet werden.
Etwa 75 Prozent der Kupferproduktion werden in der Elektro- und Sanitärinstallation weiterverarbeitet. Kupfer ist biostatisch, d.h. auf einer Kupferoberfläche können Bakterien nicht wachsen. Das Metall wird deshalb auch oft in Klimaanlagen, bei der Lebensmittelherstellung und sogar bei der Produktion von Türklinken verwendet. Kupfer wird auch im Hightech-Sektor immer bedeutender -z.B. bei der Herstellung von Computerchips, Sonnenkollektoren oder Hybridmotoren.
Die weltweiten Ressourcen werden auf 2,6 Mrd. t geschätzt, wobei erst 12% abgebaut sind. Die Produktion erreichte im Jahr 2012 16,7 Millionen Tonnen. Zusätzlich wurden 3,6 Millionen Tonnen aus Kupferschrott wiederaufbereitet. Im Bereich der Produktion in Kupferminen war 2013 Chile mit 5,7 Millionen Tonnen Weltmarktführer, gefolgt von China, Peru und den USA mit rund einem Zehntel Weltmarktanteil. Weitere große Erzlagerstätten befinden sich in Arizona, Montana, Utah, New Mexico, Peru, im Kaukasus, auf den Philippinen, in Australien, Iran, Spanien, Portugal, Polen und Deutschland.
Nickel ist ein mittelhartes, gut zu verarbeitendes, leitfähiges Metall, das sich gut polieren lässt. Es besitzt magnetische Fähigkeiten und wird in über 300.000 verschiedenen Produkten verwendet.
Der überwiegende Teil des Nickels wird aus nickel- und kupferhaltigen Eisenerzen wie Nickelmagnetkies gewonnen. Außerdem werden nach Expertenschätzungen jährlich rund 4,5 Mio. Tonnen nickelhaltigen Schrotts recycled. Auf diese Weise wird etwa ein Viertel der weltweiten Nickel-Nachfrage gedeckt.
Nickel ist ein bedeutendes Legierungsmetall, das hauptsächlich zur Stahlveredelung verwendet wird. Es macht Stahl korrosionsbeständig und erhöht seine Härte, Zähigkeit und Duktilität.
Das Metall wird zu über zwei Dritteln bei der Produktion von Edelstahlsorten und anderen rostbeständigen Legierungen verarbeitet. Spezielle Nickellegierungen werden im Flugzeugbau für die Herstellung von Turbinenblättern oder für andere Bestandteile der Triebwerke verwendet. In Kraftwerken finden Nickellegierungen ähnliche Anwendung.
Darüber hinaus wird Nickel zum Beispiel als Ersatz für Silber bei der Herstellung von Münzen und in Akkus verwendet.
Ca. 40 Prozent der weltweiten Nickelproduktion gehen nach Europa. Aufgrund der stark gestiegenen Stahlproduktion in China nimmt dort der Nickelverbrauch überproportional zu. China stellt ein Fünftel der Weltproduktion an Edelstahl her. Die eigenen Nickelvorkommen reichen dafür nicht aus. Deshalb muss Nickel importiert werden.
Zink ist ein bläulich-weißes sprödes Metall. Es wird oberhalb von 120°C weich und dehnbar, so dass es leicht zu Blechen und Drähten verwalzt werden kann. Bei 220°C wird es wieder spröde und lässt sich dann zu einem Pulver zermahlen. Wie Zinn besitzt es eine relativ niedrige Schmelztemperatur.
Das Metall findet sich überwiegend in Erzen gebunden. Die häufigsten und für die Zinkgewinnung wichtigsten Erze sind dabei Zinksulfid-Erze. Bereits im Altertum war Zink als Legierungsbestandteil von Messing in Gebrauch.
Zink ist nach Eisen, Kupfer und Aluminium das am häufigsten verarbeitete Metall. Zink wird vor allem zum Schutz anderer Metalle eingesetzt - zum Beispiel bei der Verzinkung von Autokarosserien gegen Durchrostung. Das Verfahren zum Verzinken von Eisen oder Stahl wird Galvanisierung genannt. Zink wird auch als Legierung mit Kupfer (Messing), Aluminium und Magnesium verwendet. Für die Verzinkung von Metallen werden 53% der Zinkproduktion aufgewendet.
Wichtige Zinkprodukte sind auch Halbzeuge, meist in Form von Blechen aus legiertem Zink/ Titanzink. Titanzinkblech wird als Werkstoff im Bauwesen verwendet. Es ist korrosionsfester, weniger spröde und dadurch mechanisch deutlich belastbarer ist als unlegiertes Zink. Metallisches Zink gehört zu den wichtigsten Materialien für negative Elektroden in nicht wieder aufladbaren Batterien
Zink kommt in reiner Form nicht in der Natur vor. Die wichtigsten Erze, aus denen Zink gewonnen wird, sind Zinkblende und Zinkspat. Die Hauptvorkommen liegen in Kanada, USA, Australien, Osteuropa, Peru, Mexiko, Japan, Südafrika, Kongo, Polen, Schweden, Griechenland und Großbritannien.
Die Weltmarktproduktion lag im Jahr 2013 bei 12,8 Millionen Tonnen, die Nachfrage lag bei 12,9 Millionen Tonnen. Weltweit werden die Reserven auf 1,9 Mrd. Tonnen geschätzt. Größter Zinkproduzent ist Kanada mit einem Marktanteil von 8,9% gefolgt von Japan mit 7,5% und Australien mit 6,4%.
Das silberweiß glänzende und sehr weiche Schwermetall lässt sich leicht verarbeiten bzw. verformen. Es hat einen für Metalle sehr niedrigen Schmelzpunkt. Seine Hauptverwendung lag früher im Bereich der Herstellung von Geschirr. Zinn wird heute vor allem bei der Herstellung von Lebensmittel- und Getränkeverpackungen – zum Beispiel von Weißblechdosen - verwendet. Weitere Verwendung findet Zinn bei der Herstellung von Löt-Legierungen und verschiedenen Kunststoffen.
Der Jahresweltverbrauch an Zinn liegt bei etwa 300.000 t. Davon werden etwa 35 % für Lote, etwa 30 % für Weißblech (Konservendosen oder Backformen) und etwa 30 % für Chemikalien und Pigmente eingesetzt.
Bei der Förderung von Zinn hat China, 32% Anteil an der Weltfördermenge. Es folgen Peru mit 26% und Indonesien mit 22%. Das für die Zinngewinnung wichtigste Erz ist Cassiterit. Das Erz kommt vor allem in Malaysia, Bolivien, Indonesien, Thailand und Nigeria vor.
Moderne Kommunikationstechnik, Elektromobilität und Energiewende – das sind drei der großen Themen der Zukunft. Und für diese Zukunftstechnologien werden mineralische Rohstoffe und Metalle - wie zum Beispiel Indium, Gallium oder Haffnium – benötigt, ohne die kein Smartphone, kein Tablet, kein LCD-Bildschirm und keine Solarzelle funktionieren würde.
Diese Metalle sind für unser tägliches Leben absolut notwendig, da sie nur sehr schwer durch andere Stoffe ersetzt werden können.
Außerdem sind sie sehr knapp und kommen relativ selten vor. Die Versorgung mit diesen Rohstoffen ist aber wichtige Voraussetzung für unsere internationale Wettbewerbsfähigkeit. Und sie ist für die Sicherung unseres Wohlstandes von entscheidender strategischer Bedeutung. Deshalb werden die folgenden Metalle auch oft als „Strategische Metalle“ bezeichnet.
Das silbriggrau glänzende Indium ist in Reinform sehr weich. Der Schmelzpunkt von Indium ist mit 156,6 °C für Metalle sehr niedrig. Nur Quecksilber und Gallium haben einen niedrigeren Schmelzpunkt. Indium ist über einen sehr großen Bereich von 2000 °C flüssig. In diesem Zustand kann es Materialien mit einem sehr dünnen leitfähigen Film überziehen.
Im Zweiten Weltkrieg begann die kommerzielle Nutzung als Beschichtung von Lagern in Flugzeugmotoren. Es findet heute Verwendung in allen Displays, im iPhone wie im Flachbildschirm, im Handy wie im Computer.
Es schmilzt bereits bei 29,76 Grad und zieht sich dabei zusammen – was es zusammen mit Indium und Stannum, dem lateinischen Namen für Zinn, zu einer Legierung namens Galinstan werden lässt. Nach dem Verbot von Quecksilber wurde diese Legierung häufig in Thermometern verwendet.
Heute kommt Gallium überwiegend in der Halbleitertechnik zum Einsatz. Silicium-Halbleiter verweigern schon bei wenigen Gigahertz die Arbeit; ihre Gegenstücke aus Galliumarsenid funktionieren dagegen auch noch bei 250 Gigahertz. Auch in fast allen Leuchtdioden - den LEDs - findet man den Rohstoff in zahlreichen Verbindungen. Gallium ist sehr selten. Lediglich 100 Tonnen Rohgallium werden jährlich weltweit produziert.
Hafnium ist schwer zu gewinnen – es muss erst in einem aufwendigen Prozess von Zirkonium getrennt werden. Das stahlgraue Metall von hoher Dichte stammt größtenteils aus Australien und Südamerika; die weltweiten Vorkommen werden auf rund eine Million Tonnen geschätzt.
Stahl wird heute meist mit einem Plasmabrenner geschnitten, der kein gefährliches Gas mehr benötigt, sondern lediglich Luft und Strom. In seiner Kupferelektrode ist ein kleiner Knopf aus reinem Hafnium enthalten. Das Metall ist nicht nur extrem korrosionsbeständig und hat einen hohen Schmelzpunkt, es hat auch noch die einmalige Fähigkeit, Elektronen in die Luft abzugeben. Bei Hafnium genügt dafür bereits eine geringe Energiemenge, weshalb der Elektrodenkopf mit Hafnium kühler arbeitet und der Plasmabrenner gleichzeitig heißer brennt. Ein weiteres Haupteinsatzgebiet ist die Atomtechnik. Weiter findet Hafnium Verwendung in Computerchips, die ohne das außergewöhnliche Element bei weitem nicht ihre heutige Leistungsfähigkeit erzielen würden.
Lange Zeit galt Wismut lediglich als Abart von Blei, Zinn oder Antimon, bevor es 1830 als eigenständiges Element nachgewiesen wurde. Auch heute noch ist die Wismutproduktion abhängig von Blei oder Wolfram, aus dessen Erzen es überwiegend gewonnen wird. Wismut wird heute zum Großteil für Legierungen in der Metallurgie sowie in der Pharmaindustrie eingesetzt. Die große Stärke von Wismut: es hat ähnliche Eigenschaften wie Blei und andere Schwermetalle, ist aber im Gegensatz zu diesen vollkommen ungiftig. Es dient daher immer häufiger als Bleiersatzstoff. Auch in den schnellsten jemals in Serie gefertigten U-Booten der sowjetischen Alfa-Klasse, kam es in einer Blei-Wismut-Legierung zum Einsatz: Als Kühlmittel für den bordeigenen Atomreaktor.
Tantal ist der Stoff, aus dem die Drähte in Glühbirnen hergestellt wurden, bevor Wolfram hier die Vorherrschaft übernahm. Heute findet sich das Metall in vielen Bereichen wieder, ohne die das Leben im 21. Jahrhundert kaum vorstellbar ist: Kondensatoren aus Tantal sind klein, leistungsstark und eignen sich für hohe Frequenzbereiche. Dies macht sie fast unersetzlich zum Beispiel in Mobiltelefonen, Computern, Spielekonsolen, medizinischen Geräten oder Radios: Darüber hinaus wird das Element aufgrund seines sehr hohen Schmelzpunktes auch als Hochtemperatur-Legierung eingesetzt, unter anderem bei Flugzeugturbinen. Selbst in der Medizin ist Tantal zu finden: Da es ungiftig ist und mit Körperflüssigkeiten nicht reagiert, wird es gerne als Implantat verwendet.
Nur neun andere Elemente sind ähnlich selten wie das silbrig-weiße, metallisch glänzende Halbmetall. Tellur ist einerseits weich, andererseits ausgesprochen spröde; es lässt sich somit perfekt zu Pulver verarbeiten.
Tellur ist besonders wichtig als Legierungselement für die Kabelindustrie und die Stahlherstellung. Es kommt in Beschichtungen von DVDs und Blueray-Disks ebenso vor wie in Halbleitern – hier bevorzugt im Bereich der Photovoltaik bei Solaranlagen.
Kobalt wird überwiegend aus Kupfer- oder Nickelerzen gewonnen. Kobaltstahl ist eine der härtesten Legierungen überhaupt und wird unter anderem für Bohraufsätze und Fräsen verwendet. Aber auch für hoch beanspruchte Teile im Maschinenbau kommt es zum Einsatz; zum Beispiel in Schiffsschrauben oder Flugzeugturbinen. Seine mögliche Verwendung als Legierungselement und in Kobaltverbindungen lässt den Rohstoff zu einem strategisch äußerst wichtigen Metall werden. Es wird in manchen Katalysatoren ebenso benötigt wie in Li-Ionen Akkus; als Pigment dient es der Färbung von Porzellan oder Keramik.
Seine herausragenden Eigenschaften führen dazu, dass es der modernen Industrie vielfältige Anwendungen findet. Der hohe Schmelzpunkt, die gute Hitzefestigkeit sowie seine ausgezeichnete Leitfähigkeit sind perfekt geeignet für Superlegierungen und bei der Herstellung von hartem, hitzebeständigem Stahl. Man findet es in Ventilen und Turbinenschaufeln der Luft- und Raumfahrt ebenso wie in der chemischen Industrie; bei Bohrern und Fräsen wie in Katalysatoren für die erdölverarbeitenden Betriebe. Darüber hinaus ist das Metall unempfindlich gegenüber den Angriffen reduzierender Säuren. In Pulverform oder als Beimischung mit Öl widersteht der Rohstoff extremen Drücken und Temperaturen, was ihn zu einem Hochleistungsschmierstoff der Extraklasse werden lässt.
Anfangs wurde das Element vor allem als Farbpigment und in der Chromgerberei eingesetzt. Ohne Chrom würde es die Lederproduktion in der heutigen Form nicht geben. Deutlich bekannter jedoch ist der Einsatz in der Verchromung: Als Hartverchromung mit bis zu einem Millimeter Dicke auf Stahl, Gusseisen und Kupfer, als dünne Dekorverchromung auf Stoßstangen, Alufelgen oder Armaturen. Gemeinsam mit Vanadium kennt es wohl auch jeder Handwerker. Chrom-Vanadium-Stahl gilt als besonders fest und langlebig. Doch die mit Abstand größte Menge des weltweit produzierten Chroms fließt als wesentlicher Bestandteil in die Herstellung von rostfreiem Stahl ein, dem es zu rund 20 Prozent beigesetzt wird.
Obwohl Zirkonium kaum bekannt ist, ist es gar nicht mal so selten – es kommt beispielsweise häufiger vor als Kupfer. Zirkonium hat bemerkenswerte Eigenschaften: So bindet es zwar einerseits Gase wie Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid, hat andererseits jedoch eine hohe Durchlässigkeit für Neutronen. Diese Eigenschaft macht es ideal als Hüllrohrmaterial für Brennelemente in Atomkraftwerken, wo es auch die höllischen Bedingungen im Kern eines laufenden Atomreaktors klaglos übersteht. Weitere Einsatzmöglichkeiten findet es bei der Desoxidation und Entschwefelung von Stählen oder als Gettermaterial für Vakuumpumpen. Und auch in Schmuckläden – als Zirkoniumdioxid, auch Zirkonia genannt. Es ist das beliebteste Imitat von Diamanten, denen es in punkto Strahlkraft in nichts nachsteht.
Mit Wolfram verbindet man gemeinhin die Glühbirne vergangener Tage. Kein anderes Metall ist bei hohen Temperaturen stabiler als Wolfram: Der ideale Glühdraht. Dabei ist die „Glühlampe“ eher schlecht zur Lichterzeugung geeignet. Denn nur zehn Prozent der Energie werden in Licht verwandelt, der Rest in Wärme. Die gute, alte Glühbirne ist also eher eine Heizlampe.
Andere Eigenschaften von Wolfram sind viel faszinierender: Nur wenige Metalle haben eine höhere Dichte als Wolfram. Gold, Osmium und Iridium haben jedoch einen entscheidenden Nachteil – sie sind um ein vielfaches teurer. Und so wird das Metall heute zu den unterschiedlichsten Zwecken eingesetzt; angefangen bei der Produktion von Hartmetallen über die Munitionsherstellung bis hin zur Eisenmetallurgie. Selbst in der Formel1 fährt es mit: Hier werden Platten aus Wolfram benutzt, um die Wagen an das vorgeschriebene Mindestgewicht von 620 Kilogramm zu bringen.
Für hochpräzise Schneidewerkzeuge ist Wolframcarbid nahezu unersetzlich: Es ist bruchfester als Diamanten und um Welten härter als der beste Stahl.
